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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE TESIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO EN TELECOMUNICACIONES PRESENTA: DÍAZ SÁNCHEZ JUAN RODRIGO DIRECTOR DE TESIS: DR. VICTOR RANGEL LICEA MÉXICO, D.F., CIUDAD UNIVERSITARIA MAYO 2014 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 1 JURADO ASIGNADO: Presidente: M.I. Jesús Reyes García. Secretario: M.I. Juventino Cuellar González. Vocal: Dr. Víctor Rangel Licea. 1er Suplente: Dr. Javier Gómez Castellanos. 2do Suplente: Ing. Javier Ortiz Villaseñor. Lugar donde se realizó la tesis: Facultad de Ingeniería DIRECTOR DE TESIS: DR. LICEA RANGEL VICTOR ------------------------------------------ FIRMA “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 2 Agradecimientos. A la vida, por poner ante mí, las oportunidades que me han permitido llegar hasta este punto de mi vida, que sin duda alguna, han sido gratificantes sobremanera e incluso, algunas han sido inesperadas. A mis padres, Juan y Olga, que han hecho de mí una persona responsable, de trabajo, dedicada y que no teme a los retos que se presenten. Forjando mi carácter para no ceder ante las inclemencias de las dificultades que puedan surgir y sobre todo por darme la libertad de ser siempre yo quien sea el único límite para alcanzar mis metas. El logro es suyo también. A mis hermanos, Norma, Patricia y Ernesto, que sin duda alguna han sido un apoyo incondicional a lo largo, no únicamente de mi formación universitaria, si no a lo largo de toda mi vida. A todos los amigos que he cosechado a lo largo de mi camino y sobre todo que se han quedado a mi lado en cada una de las etapas de la misma, desde mi educación secundaria, preparatoria, hasta la universidad, y que me han brindado su inconmensurable amistad, comprensión y apoyo. No me bastaría una página para mencionarlos a todos. A los profesores que he tenido oportunidad de conocer a lo largo de mi formación académica y los cuales han aportado sus valiosos conocimientos en aras de hacer de mí una persona competitiva y culta. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 3 Reconocimientos. A la Universidad Nacional Autónoma de México y la Facultad de Ingeniería. Por permitirme vivir una de las mejores etapas de mi vida a través de sus aulas y pasillos. Con orgullo, mi Alma Mater, que me ha brindado la oportunidad de realizar mis estudios de licenciatura y poder pertenecer a la máxima casa de estudios. A mi director de tesis, Dr. Víctor Rangel Licea. Por brindarme el apoyo y paciencia necesarios para la realización de este arduo trabajo. Sin duda, su presencia fue primordial durante el proceso de elaboración de la presente tesis. Ha sido un privilegio pertenecer a sus alumnos tesistas. Al PAPIIT que con el proyecto No. 11471, titulado “Diseño y análisis de algoritmos de calendarización en redes LTE y WiMAX” ha hecho posible la adquisición de las licencias del software OPNET MODELER. Al CONACYT, gracias por el apoyo brindado a través del proyecto 105279 “Diseño de técnicas de reservación de capacidad de redes BWA móviles” y por el apoyo económico a mi persona a través de una beca. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 4 Resumen. El presente trabajo de tesis se basa en el funcionamiento de redes LTE, particularmente en las capacidades de la red para admitir a cierta cantidad de usuarios que desean realizar llamadas de voz. LTE basa su funcionamiento en la conmutación de paquetes, por lo que la transmisión de información entre los elementos de la red se realiza sobre el protocolo de internet IP, en consecuencia, las llamadas se realizan sobre protocolos que puedan hacer uso de redes de paquetes IP. Así, la voz necesita ser digitalizada para su posterior envió, este proceso se lleva a cabo mediante varios y distintos codecs, que muestrean y codifican la voz. Los recursos de los que dispone una red LTE, varían en función del ancho de banda del que se pueda hacer uso y del modo de duplexado empleado, que puede ser TDD (Time Division Duplex) o FDD (Frequency División Duplex), así como de la modulación y la tasa de codificación que pueda usarse. Esto hace muy dinámicas a las redes LTE. En consecuencia la capacidad que se tenga para la realización de llamadas de VoIP depende del códec que se utilice, del modo de operación, la modulación y la codificación empleada. En este trabajo de tesis se presenta un modelo teórico que calcula la cantidad de recursos (una vez que se han quitado los recursos del sistema que son asignados a control), que pueden ser asignados a los usuarios que desean realizar una llamada de voz. El modelo, posteriormente se valida mediante simulaciones hechas con OPNET MODELER. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 5 Índice de contenido. Capítulo 1. Introducción………………………………………………………………………..11 1.1 Panorama de las comunicaciones móviles…………………………………………..11 1.2 Planteamiento del problema…………………………………………………………..13 1.3 Objetivos y contribuciones……………………………………………………………..14 1.4 Metas……………………………………………………………………………………..15 1.5 Metodología……………………………………………………………………………...15 1.6 Estructura de la tesis……………………………………………………………………15 Capítulo 2. Conceptos básicos de redes celulares……………………………………….17 2.1 Introducción……………………………………………………………………………...17 2.2 Fundamentos de comunicaciones móviles.………………………………………….18 2.3 Evolución de las comunicaciones móviles.…………………………………………..21 2.4 Sistemas MIMO………………………………………………………………………….23 2.5 Redes de banda ancha………………………………………………………………...24 2.6 Arquitectura general de sistemascelulares………………………………………….24 2.7 Arquitectura general de redes 3GPP…………………………………………………26 2.8 Arquitectura de redes LTE……………………………………………………………..28 2.9 Protocolos y estándares de la tecnología LTE………………………………………32 2.10 Estado actual de las redes LTE……………………………………………………...35 Capítulo 3. Capa física de LTE………………………………………………………………..37 3.1 Introducción……………………………………………………………………………...37 3.2 Modulación y codificación en LTE…….……………………………………………….38 3.3 Transmisión OFDM……………………………………………………………………...40 “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 6 3.4 Concepto de bloque de recursos……………………………………………………..42 3.5 Estructura de trama…………………………………………………………………….44 3.6 Descripción de los enlaces ascendente y descendente..…………………………..47 Capítulo 4.- La capa de enlace de LTE……………………………………………………..51 4.1 Introducción……………………………………………………………………………..51 4.2 División de la capa de enlace……….………………………………………………...52 4.3 El servicio de Scheduling en LTE……….…………………………………………….57 4.4 Mecanismos de solicitud para la asignación y asignación de recursos. ..………..59 4.5 Parámetros de QoS en LTE…….………...…………………………………………...60 Capítulo 5. Aspectos teóricos, VoIP y flujo de datos……………………………………63 5.1Introducción………………………………………………………………………………63 5.2 Proceso de codificación de VoIP……………………………………………………...64 5.3 Cálculos para el flujo de datos. ……………………………………………………….65 Capítulo 6 Modelo teórico para el cálculo de throughput y capacidad de llamadas de VoIP………………………………………………………………………………………………..69 6.7 Cálculo de la capacidad de llamadas…………………………………………………82 6.1 Introducción............................................................................................................69 6.2 Consideraciones generales del modelo teórico..……..…………….………………..70 6.3 Ubicación de canales y cálculo de throughput……….....……………………………71 6.4 Throughput de enlace descendente……………...……………………….…………..75 6.5 Throughput de enlace ascendente……….……………………………………………77 6.6 Ejemplo de cálculo de throughput…………….……………………………………….79 “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 7 Capítulo 7. Resultados………………………………………………………………………..84 7.1 Organización de los resultados………………………………………………………..84 7.2 Resultados obtenidos para el throughput…..…………………………………………85 7.3 Resultados para el canal de 3 MHz…………………………………………………...87 7.4 Validación del modelo teórico para el canal de 3 MHz……………………………...93 7.5 Resultados para el canal de 20 MHz………………………………………………….98 7.6 Resumen final de resultados………………………………………………………….105 Capítulo 8. Conclusiones…………………………………………………………………….106 8.1 Conclusiones…………………………………………………………………………...106 8.2 Visión a futuro…………………………………………………………………………..107 “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 8 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Modos FDD y TDD…………………………………………………………………...20 Figura 2.2 Efecto multitrayectoria……………………………………………………………….20 Figura 2.3 Interferencia Inter-Símbolo………………………………………………………….21 Figura 2.4 Arquitectura general de una red de telefonía celular…………………………….25 Figura 2.5 Arquitectura de redes 3GPP………………………………………………………..26 Figura 2.6 Arquitectura de red LTE……………………………………………………………..29 Figura 2.7 Bearers usados por la red LTE……………………………………………………..31 Figura 2.8 Torre de protocolos del plano de usuario………………………………………….32 Figura 2.9 Torre de protocolos del plano de control…………………………………………..34 Figura 3.1 Constelaciones de las modulaciones (a) QPSK y (b) QAM……………………..38 Figura 3.2 Espectro de señales OFDM………………………………………………………...41 Figura 3.3 Método de acceso OFDMA…………………………………………………………41 Figura 3.4 Bloque de recursos físicos (PRB)………………………………………………….43 Figura 3.5 Estructura de trama tipo 1…………………………………………………………..44 Figura 3.6 Estructura de trama tipo 2…………………………………………………………..45 Figura 3.7 Índice TDD……………….…………………………………………………….……..46 Figura 4.1 Mapeo de los canales en el enlace descendente………………………………..55 Figura 4.2 Mapeo de los canales en el enlace ascendente………………………………….56 Figura 4.3 Flujo de datos………………………………………………………………………...56 Figura 4.4 Scheduling LTE………………………………………………………………………58 Figura 5.1 Proceso de VoIP…………………………………………………………….……….64 Figura 5.2 Estructura del paquete de VoIP…………………………………………….………65 Figura 6.1a Localización de los canales de control y datos en TDD………………………..73 Figura 6.1b Localización de los canales de control y datos en TDD………………………..74 Figura 7.1 Llamadas admitidas en el UL ………………………………………………………89 “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 9 Figura 7.2 Llamadas admitidas en el DL……………………………………………………….89 Figura 7.3 Llamadas admitidas en el UL……………………………………………………….90 Figura 7.4 Llamadas admitidas en el DL……………………………………………………….91 Figura 7.5 Topología de red LTE………………………………………………………………..94 Figura 7.6 End to End Delay vs UEs activos…………………………………………………..95 Figura 7.7 Throughput generado según se agregan UEs …………………………………...96 Figura 7.8 Porcentaje de utilización del canal PUSCH……………………………………….96 Figura 7.9 Porcentaje de utilización del canal PDSCH……………………………………….97 Figura 7.10 Diagrama de propagación con modulación y c.r………………………………..98 Figura 7.11 Llamadas admitidas en el UL……………………………………………………100 Figura 7.12 Llamadas admitidas en el DL……………………………………………………101 Figura 7.13 Llamadas admitidas en el UL……………………………………………………102 Figura 7.14 Llamadas admitidas en el DL……………………………………………………103 “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 10 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Evolución de la telefonía celular…………………………………………………….22 Tabla 3.1 Índices de CQI…………………………………………………………………….......39 Tabla 3.2 Tasas de codificación para LTE……………………………………………………..40 Tabla 3.3 Relación entre el ancho de banda del sistema y el número de PRBs…………..43 Tabla 3.4 Categorías de equipos de usuario…………………………………………………..44 Tabla 3.5 Configuración de la subtrama especial………………………………………….....47 Tabla 4.1 Campos del QCI para QoS en LTE…………………………………………………62 Tabla 5.1 Codecs usados en VoIP……………………………………………………………...64 Tabla 5.2 Valores de MOS……………………………………………………………………....65 Tabla 5.3 Tasas y carga para los codecs VoIP………………………………………………..67 Tabla 5.4 Throughput máximo en el enlace descendente para FDD……………………….67 Tabla 5.5 Throughput máximo en el enlace ascendente para FDD………………………...68 Tabla 5.6 Throughput para el modo TDD……………………………………………………...68 Tabla 6.1 PRBs asignados al PUCCH………………………………………………………….70 Tabla 7.1 Resultados de throughput para el sistema de 3 MHz…………………………….85 Tabla 7.2 Resultados de throughput para el sistema de 20 MHz…………………………...86 Tabla 7.3 Parámetros del sistema para un canal de 3 MHz…………………………………87 Tabla 7.4 Throughput y llamadas admitidas para MCS = 9 y 3 MHz……………………….92 Tabla 7.5 Throughput y llamadas admitidas para MCS = 28 y 3 MHz……………………...92 Tabla 7.6 Parámetros de OPNET MODELER..……………………………………………….93 Tabla 7.7 Relación de distancia y SNR para los índices MCS 9 y 28………………………99 Tabla 7.8 Parámetros del sistema para un canal de 20 MHz………………………………..99 Tabla 7.9 Throughput y llamadas admitidas para MCS = 9 y 20 MHz…………………….104 Tabla 7.10 Throughput y llamadas admitidas para MCS = 28 y 3 MHz…………………..104Tabla 7.11 Resumen final de resultados……………………………………………………..105 “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 11 CAPÍTULO 1 Introducción. 1.1 Panorama de las comunicaciones móviles Desde su aparición en la década de 1970, la telefonía móvil ha tenido un desarrollo ininterrumpido, en gran parte debido al alto impacto que genera en la forma en que nos comunicamos. Los sistemas celulares han ido evolucionando desde la primera generación AMPS (Advanced Mobile Phone System), donde el único servicio soportado era la transmisión de voz. Posteriormente con el estándar de segunda generación GSM (Global System for Mobile communications) donde además del servicio de voz, se introduce por primera vez el servicio de mensajes de texto SMS (Short Message Service), después mediante su extensión denominada GPRS (General Packet Radio System) se hace posible la transferencia de datos y el acceso a internet. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 12 Durante el año 2000 aparecen los sistemas de tercera generación como UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) y HSPA (High Speed Packet Access) que logran un notable incremento en las velocidades de transferencia de datos y calidad de servicio. Dichos sistemas son compatibles con sus antecesores lo que se reflejó en una mayor cobertura y aumento en el número de suscriptores. En México la Comisión Federal de Telecomunicaciones (COFETEL) reporta que la base de usuarios de telefonía móvil es de 102.6 millones hasta Junio de 2013. Con el incremento de suscriptores, se requería un mejor aprovechamiento de los recursos disponibles para poder solventar las demandas de los usuarios. Actualmente una de las aplicaciones que más demanda genera es el acceso a internet, puesto que cada vez más usuarios solicitan servicio y lo desean en prácticamente cualquier lugar, la 3GPP (Third Generation Partnership Project), creadora del sistema UMTS y encargada del mantenimiento de GSM, se da a la tarea de desarrollar un nuevo sistema que cubra las demandas de tráfico y usuarios. Así pues en 2008 nace un nuevo sistema denominado LTE (Long Term Evolution). LTE tiene el objetivo de hacer más eficiente el uso del espacio radioeléctrico, lograr velocidades de transferencia más altas y tener mayor capacidad en los servicios soportados. Sin embargo hay que hacer una distinción entre LTE y los sistemas 4G. LTE es un sistema 3.9G según el IMT-Advanced [1], pues no cumple con los requerimientos para formar parte de los sistemas de cuarta generación, los cuáles deben proporcionar mejoras en los siguientes aspectos: Eficiencia espectral, menor latencia para permitir la operación de nuevas aplicaciones sensibles al retardo, bajo costo, compatibilidad con diversas redes, altas tasas de transferencia, admitir una amplia gama de servicios y aplicaciones y movilidad de alto rango. Aunque LTE no cumple con los requerimientos mínimos de un sistema 4G, es común que se comercialice como un sistema 4G con el único fin de lograr que el producto llegue a los usuarios y se vayan familiarizando. LTE introduce muchas variantes en relación a sus predecesores, sin embargo existen algunos aspectos relevantes que cabe destacar; por primera vez todos los servicios, incluida la voz, se soportan sobre el protocolo IP (Internet Protocol), las velocidades pico pueden alcanzar hasta 100 Mbps, el uso de OFDMA (Ortogonal Frequency Division “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 13 Multiple Access) como interfaz de radio y ancho de banda escalable, donde se tiene la posibilidad de trabajar con canales de distintos anchos de banda que van desde 1.4 MHz hasta 20 MHz. A diferencia de estándares de comunicaciones móviles anteriores como GSM y UMTS, donde existen diferentes dominios para otorgar los servicios de voz y datos, el estándar LTE brinda todos sus servicios basándose en el protocolo IP y por lo tanto trabaja únicamente con conmutación de paquetes. Gracias a esto, LTE puede brindar múltiples servicios a una elevada cantidad de suscriptores, estableciendo para cada uno de ellos una serie de parámetros que definen el enlace, como; la prioridad del servicio, el ancho de banda del canal de acceso, el modo de operación (FDD o TDD), la modulación utilizada, potencia máxima de transmisión, el tipo de servicio del que se trata (voz, datos, videoconferencia, etc.) y lo más importante el tipo de calidad de servicio (QoS) al cual el suscriptor tiene derecho. Lo anterior de acuerdo al contrato que el suscriptor tenga con la compañía prestadora de servicios. 1.2 Definición del problema Debido a que LTE es un sistema reciente resulta importante contar con una gama de estudios prácticos que permitan evaluar el rendimiento de esta tecnología. De manera específica el estudio de QoS (Quality Of Service) en la transmisión de voz (VoIP), resulta de vital importancia para determinar la capacidad de esta tecnología para soportar una determinada cantidad de usuarios cuyas llamadas tengan una calidad aceptable independientemente de si hay o no otros servicios que solicitan recursos ya que una llamada debe de mantenerse activa hasta que el usuario mismo la termine. El objetivo de cualquier servicio de voz es asegurarse de proporcionar una buena calidad de servicio así como una baja latencia. LTE emplea diferentes mecanismos para proporcionar el servicio de voz tales como: VoLGA (Voice over LTE Generic Access Network): basado en los estándares actuales de la 3GPP para la red de acceso genérica cuyo objetivo es permitir a los usuarios de LTE la posibilidad de traspasar una llamada a un dominio de conmutación de circuitos para las redes GSM UMTS. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 14 VoLTE: basado en el sistema IMS desarrollado por la 3GPP que establece las reglas para una llamada de extremo a extremo, hacia una llamada fuera del alcance de una celda, de roaming y la interconectividad con sistemas anteriores. CSFB (Circuit Switched Fall-Back): esencialmente utiliza una variedad de procesos y elementos de red para permitir recurrir a la conmutación de circuitos 2G o 3G antes de que la llamada sea iniciada. La especificación también permite el envío de SMS, para ello el teléfono utiliza una interfaz conocida como SG, que permite que los mensajes se envíen a través de un canal LTE. VoIP: es el mecanismo o estándar más común y con el cual se tiene una mayor experiencia en el manejo de las calidad de llamada que se obtienen con cada uno de los codecs que son posibles implementar. Sería la opción más sencilla de implementar por los prestadores de servicios. Haciendo hincapié en los mecanismos VoLTE y VoIP como base del funcionamiento de LTE para dar soporte a las transmisiones de voz, el presente trabajo de tesis se centra en un modelo teórico que permita evaluar la capacidad de llamadas de VoIP 1.3 Objetivos y contribuciones El objetivo del presente trabajo de tesis es presentar un modelo teórico que permita evaluar la cantidad de llamadas que son admitidas por una estación base LTE empleando diversos tipos de codecs. Dicho modelo se centra en un canal de 3MHz con modo de duplexación TDD y que servirá como sistema de caracterización. Posteriormente el modelo es aplicado aun canal de 20 MHz con el fin de obtener información del sistema más completo y robusto que puede ser utilizado por los operadores. Además, puesto que la codificación empleada tiene un gran impacto en la capacidad de llamadas, en el modelo es posible manipular dicho parámetro de forma dinámica. El modelo se centra en el análisis detallado de la rejilla de recursos de LTE aplicada en los dominios de tiempo y frecuencia. Con base en los resultados obtenidos, se pretender demostrar que un canal de LTE de 20 MHz, tiene implementados en su capa de enlace mecanismos de control que le permiten aplicar distintos codecs para soportar el servicio de VoIP a una determinada cantidad de “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 15 usuarios de forma simultánea. De forma complementaria, la presente tesis podrá servir como base y guía conceptual para estudios posteriores de LTE así como para realizar una comparativa con la red WiMAX. 1.4 Metas. Obtener un modelo teórico que nos permita tener datos fiables sobre las llamadas admitidas de acuerdo al códec que los equipos de usuario estén empleando y el impacto que genera el uso de un determinado índice de modulación y codificación en la capacidad propia de la red LTE. 1.5 Metodología. Para realizar el presente trabajo de tesis el modelo teórico propuesto es implementado sobre el software MATLAB y para fines de corroboración de resultados se emplea el software OPNET MODELER, cuyas licencias para las redes Wifi y LTE se adquirieron a través de dos proyectos de investigación (PAPIIT 11471 y CONACYT 105279), los cuales tienen como marco de estudio el diseño de nuevas técnicas de reservación de recursos y el análisis de redes Mesh, WiMAX y LTE. 1.6 Estructura de la tesis. El capítulo 2 contiene los conceptos básicos necesarios para comprender una red celular y los principios de las comunicaciones inalámbricas. Conforme se avanza, el capítulo muestra los sistemas MIMO y el impacto que genera en las tasas pico de transmisión que son posibles de lograr. Por otro lado se da información sobre los elementos que generan una red celular y de forma más detallada, los elementos que conforman un sistema LTE. En el capítulo 3 se tratan los aspectos fundamentales de la capa física del sistema LTE, los conceptos de PRB, RE y toda la información concerniente a la configuración de las tramas LTE. Para el capítulo 4 se tiene un desarrollo de los conceptos concernientes a la capa LTE y su división en las subcapas PDCP, RLC y MAC, así como las funciones que realiza cada subcapa y la forma en que se relacionan unas con otras. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 16 En el capítulo 5 se desarrollan los conceptos de flujo de datos en un proceso de comunicación de VoIP, algunos de los diferentes codecs que se emplean en la actualidad y las tasas de transmisión que generan cada uno a nivel de la capa IP y a nivel de la capa física de LTE. En el capítulo 6, se desarrolla el modelo teórico para calcular el throughput tanto para el enlace ascendente como para el enlace descendente y un ejemplo que va paso a paso hasta llegar al resultado final. El capítulo 7 es referente a toda la recopilación de datos obtenidos mediando los cálculos realizados y la validación del modelo mediante el uso del software OPNET MODELER. Finalmente, en el capítulo 8, se muestran las conclusiones obtenidas y una breve perspectiva del futuro de LTE. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 17 CAPÍTULO 2 Conceptos básicos de redes celulares. 2.1 Introducción. Las comunicaciones móviles llevan implícito el hecho de que se usen dispositivos inalámbricos, por lo menos aquel que el usuario final lleva consigo. Para comprender su funcionamiento es importante entender algunos aspectos básicos y el impacto que dicha forma de comunicación tiene. En el presente capítulo se abordan los conceptos de capacidad teórica de un canal de radiocomunicaciones dado por el teorema de Shannon, los modos de operación de un sistema, que pueden ser FDD o TDD, la interferencia inter simbólica, las llamadas pérdidas por multitrayectoria, así como la arquitectura de las redes celulares y los protocolos que las componen y la evolución de las comunicaciones móviles. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 18 2.2 Conceptos básicos de comunicaciones móviles. Comunicaciones móviles: se refieren a cualquier tipo de enlace de radiocomunicación entre dos terminales, de las cuales, al menos una está en movimiento, por lo que se tiene la necesidad de eliminar cables y de fabricar los equipos de tal forma que sean más portátiles y fáciles de transportar. Capacidad del canal inalámbrico. En sistemas de comunicaciones móviles, el teorema de Shannon nos ofrece una aproximación sobre la capacidad máxima del canal en bps, que se puede obtener en un enlace entre dos nodos y que es afectado por ruido blanco gaussiano (AWGN). ( ) (2.1) ( ) (2.2) En las ecuaciones 2.1 y 2.2, “B” es el ancho de banda del canal, “P/N” es la relación a ruido que se relaciona con la energía de bit “Eb” que fluye a una velocidad “Rb”. Por otro lado la potencia de ruido “N” se relaciona con la densidad espectral de ruido “No”. Es evidente que este teorema es para un caso ideal, pues no hay consideraciones de interferencias, distancia entre TX y RX, pérdidas por multitrayecto, entre otras. Descripción de un sistema celular [2]. Densidad de usuarios U [ ]. Tráfico promedio de usuario T [bits/usuario]. Ancho de banda a utilizar por un proveedor de servicios B [Hertz]. Eficiencia espectral E [bits/s/Hertz]. Área de cobertura de una estación base S [ ]. Capacidad del operador: * + (2.3) “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 19 El operador puede desplegar un sistema mediante el implemento de una determinada tecnología si puede solventar la demanda de tráfico de los usuarios que existen en un área. Esto es cuando: (2.4) * + * + * + * + * + (2.5) Modos FDD y TDD. Son técnicas de acceso múltiple, para que la estación base pueda distinguir los datos pertenecientes a distintos usuarios. Frequency Divison Duplexing (FDD): en este modo varios usuarios pueden transmitir y recibir en el mismo instante de tiempo pero usandouna diferente frecuencia portadora. Los anchos de banda par los enlaces ascendente y descendente son fijos y del mismo tamaño lo cual es propicio por ejemplo para comunicaciones de voz, donde las tasas de envío y recepción son similares. Cuando se opera en modo FDD, la terminal móvil debe ser capaz de transmitir y recibir al mismo tiempo (full-dúplex), lo que se logra mediante un filtro que separa las frecuencias empleadas para en enlace ascendente de las usadas para en- enlace descendente. De lo contrario se dice que la terminal trabaja en modo half duplex, pues solo es capaz de transmitir o recibir en un instante dado. Time Division Duplexing (TDD): este modo los usuarios trasmiten y reciben dentro de la misma frecuencia portadora pero en distintos instantes de tiempo. En este caso el sistema es capaz de determinar qué tiempo se usa para el enlace descendente y que tiempo se usa para el enlace ascendente, lo cual es útil para aplicaciones como navegación web, donde la tasa de descarga suele ser más grande que la tasa de carga. Aunque requiere una alta sincronización entre las estaciones base cercanas para evitar la interferencia, es usada comúnmente para redes que tienen distintos puntos de acceso aislados unos de otros. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 20 Figura 2.1 Modos FDD y TDD [3]. Desvanecimientos por multitrayectoria. Recordando que la distancia que separa al TX del RX se traduce en pérdidas por propagación ya que la señal se atenúa conforme recorre una determinada distancia, sin mencionar que en el camino la señal sufre cambios en forma de distorsión, interferencia, y cambios de fase entre otras. Por otro lado cuando una señal se propaga por el aire la señal no sigue una única trayectoria si no que debido a los obstáculos se refleja lo que provoca que la señal siga diferentes trayectorias. A este fenómeno se le conoce como multitrayectoria [4]. Figura 2.2 Efecto multitrayectoria. En el receptor, las señales reflejadas llegan instantes después, mientras que la señal original o señal en línea de vista (Line Of Sight, LOS) llega en un instante de tiempo que siempre es inferior al de las señales reflejadas. Cuando el receptor hace la suma de estas señales puede darse el caso en el que la amplitud máxima de la señal en línea de vista se “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 21 encuentre en contrafase con alguna o varias de las amplitudes de las señales reflejadas lo que resulta en una señal con una amplitud muy pequeña que no puede ser reconocida. A esto se le llama desvanecimientos por multitrayectoria (Multipath fading). Interferencia inter-símbolo. Puesto que las señales reflejadas y la original se reciben en distintos instantes de tiempo, es un hecho que durante la recepción de una señal reflejada que ha recorrido un trayecto más largo, se reciba otra señal que ha recorrido un trayecto más corto, como la señal en línea de vista. Esto provoca que los símbolos modulados que van montados en la señales estén sobrelapados, provocando el fenómeno llamado Interferencia inter simbólica (ISI). Figura 2.3 Interferencia inter-símbolo. 2.3 Evolución de las comunicaciones móviles. De forma histórica las comunicaciones móviles tuvieron su primer gran impacto en la década de 1940 durante la segunda guerra mundial a cargo de la empresa Galvin (Hoy Motorola) a través del Walkie Talkie, un dispositivo basado en válvulas termoiónicas, completamente inalámbrico, aunque de gran tamaño y que era transportado en una mochila. Posteriormente se mejoró su diseño, reduciendo su tamaño para poder ser transportado en la mano, por lo que se llamó Handie Talkie. Hoy en día dichos términos se confunden y convencionalmente al handie talkie se la llama walkie talkie. Más tarde en la década de 1980, salió a la luz el primer estándar de telefonía móvil para la población civil, desarrollada por los laboratorios Bell llamado AMPS, considerado un estándar de primera generación (1G). El único servicio que se ofrecía era voz, los equipos eran grandes, pesados y caros por lo que las únicas personas que tenían acceso a este servicio eran exclusivamente gente de negocios. En la década siguiente surgen los “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 22 estándares de segunda generación 2G, de los cuales los más populares son IS-136 o D- AMPS (Digital–AMPS) y GSM. Elaborados por los laboratorios Bell en los Estados Unidos y 3GPP en la Unión Europea respectivamente. Lo más destacable fue la opción del envío de mensajes de texto. En este punto, GSM fue el estándar que más fue adoptado alrededor del mundo ya que IS-136 requería el pago de patentes, mientras que GSM era de uso libre. Debido a este éxito, GSM lanza su extensión llamada GPRS que permite el envío de contenido multimedia (imágenes y videos) por lo que se le considera un estándar 2.5 G. Posteriormente en los años 2000, la 3GPP lanza el estándar de tercera generación 3G, UMTS que introduce mejoras en las velocidades de los servicios multimedia además del acceso a internet de banda ancha. Otro estándar de 3G es CDMA2000 desarrollado por Qualcomm. También durante los años 2000 surge el estándar 802.11, que aunque no es de telefonía móvil, si es un gran avance en las comunicaciones móviles ya que permitió la interconexión de múltiples equipos a un punto de acceso de forma inalámbrica. Tabla 2.1 Evolución de la telefonía celular [1]. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 23 2.4 Sistemas MIMO MIMO son las siglas de Multiple Input Multiple Output (Múltiple Entrada Múltiple Salida) y hacen referencia a una técnica de transmisión y recepción mediante el uso de varias antenas y procesado de señales con distinto nivel de complejidad. Reducen los desvanecimientos en frecuencia por la propagación multitrayectoria y mejoran la potencia y calidad de la señal en recepción [5]. Uno de las características importantes de los sistemas MIMO es la separación entra las antenas, misma que está relacionada estrechamente con la frecuencia del canal que se esté empleando para la transmisión/recepción. Para ellos el término NxM se refiere al número de antenas que se usan para transmisión (N) y para recepción (M), de esta forma, LTE admite elementos (eNodeB, UE, etc.) con configuraciones 2x2 y 4x4 como máximo. Con el uso de los sistemas MIMO se obtienen algunos beneficios como: Reduce los efectos ocasionados por los desvanecimientos en frecuencia. Permite modificar de forma dinámica la forma del patrón de radiación final formado por un conjunto de antenas con el fin de mejorar la ganancia ya sea en transmisión o recepción o incluso de eliminar de la mejor forma posible la interferencia de otras señales haciendo el patrón de radiación más directivo. Mejora las tasas de transmisión de datos al aprovechar de mejor manera el canal inalámbrico, pues al existir múltiples antenas en los transmisores y receptores se crean los llamados canales de transmisión en paralelo que aprovechan de mejor forma el ancho de banda. Con el uso de antenas MIMO se extiende la cobertura de la celda. Desde sus inicios en 2008, LTE fue pensada como una arquitectura de red que soportara el uso de múltiplesantenas tanto en la estación base como en los equipos de usuario con el fin de mejorar la experiencia del mismo e incrementar el aprovechamiento del canal e interfaz de radio. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 24 2.5 Redes de banda ancha. Durante los últimos años del siglo XX las redes de datos comenzaron a tener un crecimiento exponencial debido a la alta demanda de servicios por parte de los usuarios y al incremento mismo de la cantidad de usuarios, lo anterior, aunado al avance tecnológico nos lleva a un presente donde es prácticamente indispensable tener acceso a las redes inalámbricas que proveen servicios de voz, datos, web, etc., mismas que comunican a la personas. Debido a esto, los sistemas deben lograr solventar dichas demandas de tráfico de datos, así entra el concepto de Sistemas o Redes de Banda Ancha. En la actualidad el servicio de banda ancha es otorgado a través de tecnologías como ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), telefonía 3G, WiFi, WiMAX y LTE. A excepción de ADSL, las tecnologías mencionadas anteriormente son de tipo inalámbrico y por consiguiente presentan diversas limitantes, entre las que destacan la movilidad y la velocidad de transmisión de datos. El problema de la movilidad se relaciona con la ubicación de los puntos de acceso, el área de cobertura y el efecto que provoca en las señales el hecho de que el nodo destino este en movimiento. Por otro lado el problema de la velocidad de transmisión de datos está vinculado con el aprovechamiento del ancho de banda. Estos problemas son constantemente atacados mediante la investigación de nuevas técnicas de codificación, multiplexación, modulación, etc. Lo anterior aunado a la evolución constante de la electrónica que sencillamente no se ha detenido desde que en los años 1950´s apareció la válvula termoiónica o bulbo. Las redes de banda ancha surgen ante la necesidad de poder dar servicios a más usuarios y a sus demandas de tráfico que cada vez son más altas, por lo que hay que decir que las redes de banda ancha no son el futuro, si no el presente en la forma en que nos comunicamos. 2.6 Arquitectura general de sistemas celulares. Con el objetivo de lograr una mejor comprensión de los elementos que comprenden la red LTE, a manera de preámbulo, presentaremos en este apartado la estructura general de un red de telefonía celular, posteriormente, en el apartado 2.7 de manera más concreta se presentara la estructura de las redes desarrolladas por la 3GPP para terminar en el apartado 2.8 con la descripción propiamente dicha de las redes LTE. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 25 En la figura 2.4 se presenta la arquitectura básica que poseen las redes te telefonía celular, en la cual destacan tres elementos principales; el equipo de usuario, la red de acceso y la red troncal. Figura 2.4 Arquitectura general de una red de telefonía celular [2]. Equipo de usuario: dispositivo que permite al usuario acceder a los servicios de la red. Posee una tarjeta UICC (Universal Integrated Circuit Card) que es la equivalente en redes UMTS a la tarjeta SIM (Suscriber Identity Module) de la redes GSM. Dicha tarjeta contiene la información necesaria para permitir la conexión a la red y la utilización de sus servicios. Red de Acceso: elemento que se encarga de la conexión entre los equipos de usuario y la red troncal a través de la interfaz de radio. Provee servicios portadores cuya función es otorgar una cierta capacidad de transmisión además de gestionar de manera eficiente los recursos de radio disponibles. De forma general se compone de la estación base y dispositivos de control de la estación base. Red Troncal: parte del sistema que se encarga de controlar el acceso a los servicios, gestionar la movilidad y las sesiones de datos. Comprende mecanismos para la interconexión con otras redes (por ejemplo internet) e incluso puede tener funciones de control y señalización. Está conformada por equipos que realizan funciones de conmutación de circuitos o paquetes, encaminamiento de tráfico, bases de datos; routers, switches y servidores. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 26 Esta estructura ha sido adoptada por redes de sistemas celulares de segunda y tercera generación y claro, es retomada por la red LTE, debido a que la separación entre la red de acceso y la red troncal flexibiliza la escalabilidad, además de que permite la evolución natural de las redes de banda ancha lo que se traduce en el fácil cambio de equipos y elementos por los más modernos. 2.7 Arquitectura general de redes 3GPP. La arquitectura planteada por la familia de estándares 3GPP se basa en la arquitectura general presentada en el apartado 2.5. Así pues abarca los tres elementos básicos; el equipo de usuario, la red de acceso y la red troncal. La figura 2.6.1 ilustra la arquitectura de las redes 3GPP. Figura 2.5 Arquitectura de redes 3GPP [2]. Equipo de usuario: en inglés User Equipment (UE) se compone propiamente del dispositivo móvil o terminal (Mobile Equipment) y una tarjeta UICC, encargada de almacenar a información de la suscripción del usuario a los servicios de la red. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 27 Red de acceso: en ingles Access Network (AN) encargada de proporcionar la conexión a los UEs. La 3GPP ha especificado tres tipos de redes de acceso; para los sistemas de segunda generación desarrollo la red de acceso GERAN usada por el sistema GSM; para los sistemas de tercera generación desarrollo la red de acceso UTRAN utilizada por el sistema UMTS y finalmente la red de acceso E-UTRAN usada por el sistema LTE. Cada una de las redes de acceso mencionadas, define su propia interfaz de radio para la conexión de los UEs. Por otro lado la conexión entre la red de acceso y la red troncal se realiza mediante la interfaz AN-CN (Access Network–Core Network) especificada de forma particular en cada tipo de red de acceso. Red troncal: es el elemento que realiza la mayor carga de trabajo. Se divide en un dominio de conmutación de circuitos (Cicuit Switched Domain, Dominio CS), un dominio de conmutación de paquetes (Packet Switched Domain, Dominio PS) y el subsistema de multimedia IP (IP Multimedia Subsystem, IMS). A partir de este momento nos referiremos a dichas partes como; dominio CS, dominio PS y subsistema IMS respectivamente El dominio CS provee servicios basados en la conmutación de circuitos, donde los enlaces son dedicados al momento de establecer la conexión del usuario a través de su UE. Se puede acceder a este dominio desde a través de las redes de acceso GERAN y UTRAN, sin embargo la red E-UTRAN no contempla el dominio CS ya que todos los servicios se proporcionan mediante conmutación de paquetes. En cuanto al dominio PS, éste provee servicios basados en la conmutación de paquetes, proporciona conectividad a redes de paquetes como la red X.25. Para la red de acceso GERAN, la implementación del dominio PS se realizó mediante la extensión GPRS y que posteriormente adoptó la red de acceso UTRAN y se puede acceder a ella mediante las redes GERAN Y UTRAN. Para la red de acceso E-UTRAN, la implementación del dominio PS se realiza en la entidad denominada como EPC (Evolved PacketCore) que es una versión evolucionada de GPRS al cual se puede acceder a través de redes 3GPP (GERAN, UTRAN y E-UTRAN) como de redes ajenas a 3GPP (CDMA2000 y WiMAX ). “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 28 El subsistema IMS es responsable de realizar la señalización asociada a los servicios multimedia solicitados por un usuario. Es decir el subsistema IMS puede verse como un plano de control encargada de gestionar los servicios solicitados por los usuarios. Gracias a esto, se logra tener bien definidas las partes del transporte de datos propiamente dicha y la parte encargada de gestionar las sesiones de los usuarios. 2.8 Arquitectura de las redes LTE. Retomando los conceptos presentados en los apartados 2.6 y 2.7 describimos a continuación la arquitectura de una red LTE, enfocándonos principalmente red de acceso y los equipos de usuario, así como las interfaces que intervienen entre ellos. El equipo de usuario (UE). Contiene en su interior una tarjeta UICC con información del usuario así como información sobre sus subscripción. La red de acceso; que para LTE se denomina red E-UTRAN conformada por la estación base llamada Evolved NodeB (eNB) que otorga conectividad a los UEs y que sirve como enlace entre los diferentes UEs y la red troncal EPC, haciendo uso de los protocolos de la interfaz de radio. Transmite paquetes hacia los UEs mediante los servicios portadores llamados Radio Bearers y lo más importante, se encarga de la gestión de los recursos de radio, así como mecanismos de control de admisión y de handover. El eNB se puede conectar a distintas entidades MME y S-GW, con el fin de dar redundancia lo que se traduce en mayor robustez y eficiencia. Para más detalles ver [6]. La red troncal: conformada por el EPC que contiene dentro de sí diversas entidades, de las cuales MME (Mobility Management Entity), S-GW (Serving Gateway) y P-GW (Packet Data Network Gateway) son las más importantes. Además proporciona conectividad a la red LTE mediante redes como GERAN, UTRAN, CDMA2000 y WiMAX, así como de proporcionar acceso a los usuarios a redes como internet. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 29 Figura 2.6 Arquitectura de red LTE. Cabe mencionar que además de los elementos propios de la red LTE, se hace uso de elementos como switches, routers y servidores propios de redes IP y que son necesarios para lograr la asignación de direcciones IP. A continuación se describen las interfaces que intervienen en las conexiones de los elementos de la red LTE. Interfaz E-UTRAN Uu: es la interfaz de radio de LTE basada en OFDMA. Permite la transmisión de información por el canal de radio entre el UE y el eNB. Este servicio es llamado Radio Bearer. La interfaz E-UTRAN Uu maneja los siguientes tipos de información: Señalización de control: contiene información sobre la cobertura del eNB, la potencia del eNB, la sensibilidad del eNB y establecimiento de una conexión de control entre un UE y el eNB con el fin de tener un registro del UE y la información de usuario asociada. Paquetes de IP: el eNB recibe y envía tráfico de IP a los usuarios. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 30 Señalización dedicada: información que se intercambia entre un UE y el eNB para identificar y dar de alta a un UE, sirve para gestionar los Radio Bearers, además de proporcionar la señalización para que un UE acceda al EPC. Interfaz S1: conecta al eNB con la red troncal EPC. Usa como protocolo de transporte GTP (GPRS Tunneling Protocol), realiza un mapeo entre los S1 bearers y los S5/S8 bearers, asociando a cada pareja un túnel bidireccional. Se divide en dos partes [7] [8]: Interfaz S1-MME: conecta al eNB con la entidad MME del EPC y es la encargada de las funciones de control y señalización. Interfaz S1-U: conecta al eNB con la entidad S-GW del EPC y es usada para el envió de trafico de usuario entre un UE y el EPC. La interfaz S1-U es gestionada por la interfaz S1-MME. El servicio de transmisión de información entre el eNB y el EPC se denomina S1-Bearer. Por otro lado a la relación entre un Radio Bearer y un S1 Bearer se le conoce como E- RAB (E-UTRAN Radio Access Bearer). Cabe mencionar que el eNB puede conectarse a diversas entidades MME y S-GW lo que se traduce en una mayor robustez de la red al agregar redundancia y disminuye la señalización en caso de haber handovers. Interfaz SGi: conecta a la entidad P-GW del EPC con las redes externas de IP como internet [9]. Interfaz X2: aunque no aparece en la figura 2.7.1, conecta a dos eNBs entre sí. Realiza funciones de transferencia de datos de usuario, información de control durante procesos de handover, así como transferencia de datos IP almacenados en un eNB hacia un nuevo eNB al que un UE se ha conectado después de un handover [10]. Hemos mencionado que la concatenación de un Radio Bearer y un S1 Bearer forma un E- RAB, pero no son los únicos Bearers que se mencionan en LTE. En la figura 2.7 se aprecian todos los servicios Bearers usados por LTE y los elementos o entidades a los que está asociado cada uno. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 31 Figura 2.7 Bearers usados por la red LTE [6]. Los EPS bearers pueden ser clasificados en dos categorías. En la primera el EPC establece de forma predeterminada un EPS bearer, llamado Default EPS bearer y se genera cuando se establece una conexión PDN (Packet Data Network) y significa que un UE conectado a la red LTE es visible a redes externas como internet mediante una dirección IP, por lo que un UE puede mandar y recibir tráfico de dicha red externa. Se encarga de la transmisión de todo el tráfico IP de un usuario sin distinción alguna, es decir, a través de él se enviara señalización y el tráfico correspondiente a cada aplicación que se esté ejecutando sin hacer distinción alguna y sin aplicar un tratamiento de QoS. Se mantendrán activos mientras dure la conexión PDN. Por otro lado, durante una conexión PDN, el EPC puede activar, desactivar o modificar a los llamados Dedicated EPS bearer, que se encargan de la transmisión de tráfico de usuario haciendo uso de un parámetro llamado TFT (Traffic Flow Template) que es una etiqueta que se aplica a un determinado flujo de tráfico al que se desea aplicar un tratamiento específico de QoS, por ejemplo flujo de tráfico de una video llamada. La segunda categoría se basa en el empleo de una tasa de bits garantizada, así tenemos a los GBR (Guaranteed Bit Rate) bearers, que se asocian a una tasa de bits garantizada, que es una tasa de datos promedio a largo plazo que el UE puede esperar tener. Son apropiados para servicios en tiempo real como llamadas de voz. Por otro lado se tienen “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 32 los Non GBR bearer, o bearer de tasa no garantizada, que como su nombre lo indica no asegura una tasa de datos por lo que varía de un momento a otro durante la conexión. Los Non GBR bearers son apropiados para aplicaciones navegación web. 2.9 Protocolos y estándares de la tecnología LTE. Los protocolosde la red LTE se dividen en dos grandes categorías; Plano de usuario y Plano de control. La torre de protocolos del plano de usuario de la red LTE contienen mecanismos para el envío correcto de datos entre un UE y la entidad P-GW dentro del EPC. En la imagen 2.8.1 se observan los protocolos implicados en cada uno de los elementos e interfaces que componen la red LTE. Figura 2.8.Torre de protocolos del plano de usuario [11]. En la parte superior de la imagen se indican las interfaces que intervienen entre los distintos elementos mismos que se indican en la parte inferior. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 33 Capa de aplicación: indicada en la figura 2.8.como app, es la capa que está en contacto directo con el usuario y precisamente indica la aplicación o conjunto de aplicaciones que el usuario está ejecutando y por las cuales demanda una conexión a la red LTE. Capa de transporte: para el caso de LTE, el transporte de los datos se realiza mediante los protocolos UDP, TCP dependiendo del tipo de aplicación del que se trate. Y para la señalización emplea el protocolo SCTP que está basado en TCP. Capa IP: puesto que la red LTE se basa en conmutación de paquetes forzosamente requiere de un protocolo como IP para encaminar el tráfico destinado a un usuario en particular, empleando la dirección IP como criterio de enrutado. LTE soporta IPv4 e IPv6. Capa de enlace: referida en el modelo OSI como capa 2, se desdobla en 3 subcapas; la capa PDCP, la capa RLC y la capa MAC. Mismas que se abordan en el capítulo 4. Capa física: maneja codificación/decodificación así como modulación/demodulación y técnicas de mapeo de multi-antena en caso de que se implemente. Ofrece servicios a la capa MAC en forma de canales de transporte y entre elementos de la red en forma de canales físicos. Capa GTP-U: significa GPRS Tunneling Protocol-User plane, y es un protocolo de encapsulado para el envío de paquetes IP de usuario y básicamente se encarga de mutiplexar los paquetes IP de distintos usuarios asignando a cada uno un identificador de túnel que está asociado a un EPS bearer. El indicador se denomina TEID (Tunnel End point Identifier. [12]. Refiriéndonos al plano de control y señalización de la red LTE el conjunto de protocolos que se emplean se aprecian en la figura 2.8.2. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 34 Figura 2.9Torre de protocolos del plano de control [11] En la parte superior de la imagen se indican las interfaces que se ven involucradas en el plano de control, mientras que en la parte inferior se hace referencia a los elementos que interactúan dentro del mismo plano de control de la red LTE, de esta forma vemos que los elementos involucrados son el UE, la estación base (eNB) y la entidad MME que se encuentra dentro del EPC. Protocolo EMM: realiza procedimientos referentes a la movilidad y registro a la red E- UTRAN. Los mecanismos de registro y registro que en las especificaciones se denominan Network Attach y Network Dettach respectivamente, así como la actualización del área de seguimiento Tracking Area Update). En otras palabras el protocolo EMM se encarga de la autenticación de los UE que desean acceder a la red E-UTRAN. Protocolo RRC: del inglés Radio Resource Control, es el protocolo encargado de realizar una conexión de control entre el UE y el eNB, con el fin de que el UE pueda tener acceso al uso de los radio bearers e incluso pueda modificarlos. Por otro lado la conexión realizada por el protocolo RRC también sirve para que el UE y el EPC puedan intercambiar mensajes de señalización y con eso el UE pueda hacer uso de los servicios proporcionados por el EPC, como son el establecimiento de una conexión con una red externa como internet. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 35 Cuando un UE logra tener una conexión RRC se dice que está en modo activo o conectado, pues pueda ya hacer uso de los radio bearers y de los recursos de la red. Por el contrario cuando un UE no tiene establecida una conexión RRC se dice que está en modo idle y únicamente es capaz de “escuchar” la información difundida por la red. Protocolo S1-AP; S1-Application Part, es el encargado de sustentar las funciones descritas en el apartado 2.7 de la interfaz S1. Protocolo SCTP: Stream Control Transmission Protocol, es un protocolo de transporte usado en el plano de control para la entrega de mensajes de señalización. Está basado en TCP, aunque incluye mejoras para hacerlo más robusto. La más destacada es que incorpora una característica denominada asociación, que es un control de flujo y congestión que permite que los nodos involucrados en una conexión tengan múltiples caminos para la entrega de información y además los flujos de información pueden transmitirse en paralelo [13]. 2.10 Estado actual de las redes LTE. Desde su aparición en 2008, LTE es una tecnología que ha sido adoptada de forma rápida principalmente en Europa, lugar donde iniciaron los servicios otorgados por dicha red y en un lapso de casi 5 años la implementación de esta tecnología ha sido adoptada alrededor del mundo, llegando a lugares como Rusia e incluso varios países de África. De hecho en Europa es donde se ha tenido el mayor desarrollo en este rubro, pues debido a ser prácticamente el primer continente en usar LTE ha sido el que más lejos ha llegado, pues han logrado velocidades de transmisión de alrededor de 300 Mbps en el enlace descendente y de 150 Mbps para el enlace ascendente mediante el empleo de equipos MIMO 4X4. Actualmente la 3GPP está trabajando en LTE-Advanced que estrictamente hablando sería la verdadera red 4G, ya que por especificaciones dadas por la UIT, LTE no cumple con las características para ser 4G. Algunas de estas características son; velocidades de hasta 1 Gbps con tiempos de respuesta de máximo 1 ms. Estos son los aspectos fundamentales en los que se centra el trabajo de la 3GPP para LTE-Advanced. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 36 Particularmente en México la implantación de LTE corrió a cargo de la empresa TELCEL, el día 12 d Noviembre del año 2012. De acuerdo a información aportada por la empresa en su página web alcanza tasas de hasta 20 Mbps. De inicio solo eran alrededor de 8 equipos los que tenían el hardware necesario para tener acceso a LTE, con el paso de los meses y la incorporación de las otras empresas telefónicas del país, han sido más los equipos y los planes que ofrecen conectividad LTE en el país. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 37 CAPÍTULO 3 Capa física de LTE. 3.1 Introducción. La capa física es la encargada de las funciones relacionadas con la transmisión y recepción de la información generada en las capas superiores. Por ello, es fundamental comprender los procesos más sobresalientes que se llevan a cabo en dicha capa. En este capítulo se presentan los conceptos de la modulación y codificación, el tipo de interfaz de radio empleada por LTE (OFDM), la unidad de información mínima empleada en LTE, las estructurasde las tramas y mapeo de los canales entre las distintas capas superiores y su relación con la capa física. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 38 3.2 Modulación y codificación en LTE. Los esquemas de modulación utilizados en LTE son QPSK, 16 QAM y 64QAM, mismos que manejan un número de estados o combinaciones determinados para acomodar los símbolos OFDM en base a la siguiente expresión: (3.1) Donde el “2” indica el sistema binario, el superíndice “m” indica el número de bits usados para modular cada símbolo y la letra “N” denota la cantidad de estados posibles. En nuestro caso, el valor de N es 4, 16 o 64 dependiendo si se trata de QPSK, 16QAM o 64 respectivamente. Lo anterior puede apreciarse de forma más clara al ver la cantidad de estados como una constelación de puntos disponibles para acomodar los símbolos OFDM. Véase figura 3.1 Figura 3.1 Constelaciones de las modulaciones (a) QPSK y (b) QAM. El uso de modulaciones de alto orden como 64-QAM permite hacer un uso más eficiente del ancho de banda, es decir, es posible transmitir más información en un determinado ancho de banda. Sin embargo ello implica una disminución de la robustez del sistema al ruido e interferencia. En otras palabras las modulaciones 16QAM y 64QAM requieren en el receptor una SNR más alta en comparación con QPSK ya que son más susceptibles a interferencia y errores [14]. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 39 En sistema LTE hace uso de modulación y codificación adaptativa, lo que quiere decir que si la SNR es lo suficientemente alta es posible hacer uso de una modulación de alto orden, por ejemplo 64-QAM, en el caso en el que el SNR sea bajo, se utilizan esquemas de modulación de bajo orden como QPSK. Particularmente, para el enlace descendente, LTE emplea un parámetro llamado CQI (Quality Channel Indicator) para medir la calidad del canal y establecer una modulación y codificación a un UE. Aunque cabe resaltar que dicho parámetro también depende de la calidad del equipo de cada usuario. La tabla 3.1 muestra una lista de algunos de los índices de CQI utilizados en LTE. Tabla 3.1 Índices de CQI [15]. Para la parte de codificación LTE implementa los modos de ARQ (Automatic Repeat Request) y FEC (Forward Error Correction) mediante un código de bloque o convolucional. A esto se le suma el uso de turbo códigos que hacen posible la codificación a tasas más altas. Por otro lado, LTE maneja algunos símbolos para mecanismos de control en el PDCCH (Phyisical Downlink Control Channel), (ver apartado 3.5), dependiendo si se hace uso de un prefijo cíclico normal o extendido, dicha cantidad de símbolos varía entre 1 y 4 y tiene un impacto directo en la codificación utilizada por un UE. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 40 Tabla 3.2 Tasas de codificación para LTE [16]. 3.3 Transmisión OFDM. Dado que en entornos urbanos es común que existan múltiples trayectorias que influyan en la interferencia inter simbólica (ISI), es de vital importancia que la interfaz de radio pueda disminuir al mínimo este problema. OFDM ha sido la opción elegida para atacar este problema, además de que ya ha sido implementado en sistemas como WLAN y WiMAX. Este tipo de transmisión divide el espectro en varias subportadoras, cada una de las cuales lleva una parte del flujo de datos que se pretende enviar [11]. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 41 Figura 3.2 Espectro de señales OFDM LTE usa un espaciado fijo entre subportadoras de 15 KHz y son agrupadas en conjuntos de 12 subportadoras. Esto se lleva a la versión múltiple para dar lugar al método de acceso al medio que emplea LTE llamada OFDMA ya que todos los UEs comparten los recursos y les son asignados de forma dinámica. El eNB transmite hacia los UEs en diferentes tiempos y frecuencias de antemano conociendo las necesidades de cada aplicación que solicitan los recursos. Figura 3.3 Método de acceso OFDMA [11]. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 42 En la figura 3.3 se aprecian los recursos asignados a las aplicaciones que cada UE solicita. Por ejemplo el UE 1 está recibiendo un flujo de datos de VoIP por lo que se le asignan pocas subportadoras pero constantes. Por otro lado el UE 2 está ejecutando una aplicación de FTP por lo que la cantidad de subportadoras es grande lo que le provee una alta tasa de transmisión pero esta asignación puede variar en el tiempo. La desventaja de OFDM es que la potencia de las señales transmitidas está sujeta a variaciones lo que acarrea problemas en el transmisor. Puesto que los transmisores del eNB (enlace descendente) son diseñados de forma que sean capaces de soportar esta cuestión, OFDM funciona bien para el enlace descendente, cosa que no puede ocurrir en el enlace ascendente ya que los UEs deben ser más sencillos y baratos. Esta variación de potencia se debe a que hay una relación uno a uno entre los símbolos y las subportadoras. Para eliminar este problema los símbolos de cada UE se envían de forma contigua usando también un conjunto de subportadoras que están una después de otra lo que implica una reducción importante de la variación de potencia. Esté método es conocido como SC-OFDMA (Single Carrier OFDMA) 3.4 Concepto de bloque de recursos. Se entiende por bloque de recursos físico, (PRB), al mínimo elemento de información que puede ser asignado por el eNB a un usuario. Un PBR ocupa 180 KHz equivalente a 12 subportadoras de 15 KHz, y en él se transmiten 6 o 7 símbolos OFDMA, dependiendo de la longitud del prefijo cíclico utilizado. La duración de un PRB es igual a 5 ms equivalente a la duración de un slot. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 43 Figura 3.4 Bloque de recursos físicos (PRB). El número de bloques de recursos físicos disponibles depende del ancho de banda del canal en que se esté trabajando. Tabla 3.3 Relación entre ancho de banda del canal y número de PRBs [17]. Hablando de las terminales de los usuarios, estas poseen distintas características de acuerdo a la marca y al precio. Esto permite una amplia gama de posibilidades para cada usuario ya no solo depende del tipo de suscripción que tenga con su proveedor de servicios, sino también del equipo que este adquiera. Esto se ve reflejado en las categorías en las que LTE clasifica a cada terminal de acuerdo a sus capacidades físicas. Se han especificado un total de 5 categorías, donde la 1 es la más limitada y la categoría 5 es la más completa. Consecuentemente se definieron 3 categorías más, de acuerdo a esto, la tabla 3.4 muestra las categorías y sus características.“Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 44 Tabla 3.4 Categorías de equipos de usuario [3]. 3.5 Estructura de trama. En el dominio del tiempo, los recursos físicos del sistema LTE se estructuran siguiendo dos posibles estructuras de tramas ya que LTE es capaz de trabajar en modo FDD o en TDD. Estructura de trama tipo 1. Esta estructura es válida para sistemas que operan en FDD y es usada tanto para el enlace ascendente como para el enlace descendente. En esta estructura el eje del tiempo se divide en tramas de 10 ms. Cada trama a su vez está compuesta por 20 ranuras temporales o slots, de duración 0.5 ms. Figura 3.5 Estructura de trama tipo 1 [2]. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 45 Estructura de trama tipo 2 Diseñada para modo TDD, el eje del tiempo se divide en tramas de 10 ms y cada trama se compone de 10 subtramas de duración 1ms. En este caso hay subtramas dedicadas al enlace ascendente y descendente. En suma hay subtramas especiales que indican en qué modo se opera en un instante dado y que sirven para fines de sincronización. Figura 3.6 Estructura de trama tipo 2 [2]. El número de subtramas dedicadas al enlace descendente y ascendente varía de acuerdo al índice TDD empleado. A su vez las subtramas especiales que tienen tres campos; DwPTS, GP y UpPTS, mimos que tienen una duración variable en símbolos. Cabe resaltar que si la duración de dichos campos es menor o igual 3 símbolos, los campos no se emplean para la transmisión de datos, pues su duración es demasiado corta. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 46 Figura 3.7 Índice TDD [18]. La subtrama especial puede tener asignadas hasta dos subtramas y su papel está ligado directamente a que tan rápido el sistema conmuta entre una transmisión de enlace descendente y ascendente. Los tres campos que contiene la subtrama especial son: DwPTS: Downlink Pilot Signal, se usa para indicar que se opera en modo DL e incluso si tiene una duración grande, puede ser usado para información de usuario. UpPTS: Uplink Pilot Signal, al igual que la DwPTS, se usa para indicar que se opera en modo UL, pero puesto que su duración máxima es de 2 símbolos, no es apta para el envío de información de datos de usuario. GP: Guard Period, este campo el tiempo en que el sistema cambia de modo de UL a DL y viceversa, se recomienda que sea de una duración lo suficientemente larga para que todos los elementos de la red conmuten su modo de operación. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 47 La tabla 3.5 muestra las posibles configuraciones de la subtrama especial y la duración en símbolos de cada campo. .Tabla 3.5 Configuración de la subtrama especial. 3.6 Descripción de los enlaces ascendente y descendente. Enlace descendente Para facilitar la implementación de los mecanismos físicos necesarios para realizar la demodulación de las señales OFDMA propias del enlace descendente, se han establecido un conjunto de señales de referencia y sincronización además de un conjunto de canales de tráfico y control que se describirán en esta sección. Señales de Referencia (RS). Las señales de referencia o símbolos piloto se utilizan para: Obtener medidas de calidad en el enlace descendente. Implementar mecanismos de búsqueda de celda y sincronización inicial. Se sitúan en los PRBs en dos grupos: las primarias y las secundarias. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 48 Señal de Sincronización (SCH). La señal de sincronización (SCH) se utiliza para facilitar los procesos de sincronización temporal del sistema. Se divide en dos: P-SCH (Primary SCH) que permite la sincronización temporal a nivel de subtrama, mediante procedimientos de correlación entre la señal recibida y una secuencia de referencia almacenada en el receptor. S-SCH (Secondary SCH) que posibilita la sincronización temporal a nivel de trama, utilizando la misma metodología de correlación temporal. Canales físicos de tráfico. Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) El canal PDSCH transmite habitualmente información de usuario. Contiene la información entregada por la subcapa MAC mediante el canal de transporte Downlink Shared Channel (DL-SCH). Los posibles esquemas de modulación considerados son: QPSK, 16QAM y 64 QAM. Physical Multicast Channel (PMCH) El PMCH se utiliza para transportar información MBMS (Multimedia Broadcast and Multicast System) empleado cuando se ejecutan servicios de multicast. Canales físicos de control. Physical Broadcast Channel (PBCH). Transporta información básica sobre el sistema como el ancho de banda del canal, el tipo de duplexaje empleado, número de identificación de trama, etc. Physical Downlink Control Channel (PDCCH). En él se acarrea un parámetro denominado DCI (Down Control Indicator) que lleva información sobre la asignación de recursos y mecanismos de retransmisión HARQ. “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 49 Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH). Informa al terminal móvil sobre el número de símbolos (1-4) utilizados para transmitir el canal PDCCH a través del parámetro llamado CFI (Channel Format Indicator).Se transmite en cada subtrama, siempre en el primer símbolo. Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH). En él va información sobre reconocimiento ACK/NACK para el mecanismo HARQ, cada uno de estos canales puede llevar información de este tipo de hasta 8 usuarios1. Enlace ascendente Ahora se describirán las características más importantes de los canales físicos especificados para el enlace ascendente en los sistemas. Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) Es el canal utilizado para enviar la información de usuario. Se transmite utilizando señales SC-FDMA. El número de subportadoras utilizado lo determina el gestor de recursos radio (scheduler) dicha asignación es enviada al UE mediante el PDCCH. Canales de control. Physical Uplink Control Channel (PUCCH). Entre la información que transporta se destaca; las peticiones de recursos, reconocimiento ACK/NACK de enlace ascendente, información sobre el CQI. Está ubicado en los extremos de la banda del sistema. Physical Random Access Channel (PRACH). El canal físico de acceso aleatorio consta de un prefijo cíclico y un preámbulo, y de esta manera iniciar, por parte del móvil, el procedimiento de conexión al sistema. 1 Si desea ahondar en estos aspectos se recomiendan [5], [11] y [18] “Análisis de tráfico de voz sobre IP (VoIP) en redes LTE” Facultad de Ingeniería UNAM Pág. 50 Señales de Referencia (SR) en el enlace ascendente De modo análogo a lo que
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